Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Anwendungsgerechte Lebensdauerabschätzung für mehrachsig nichtproportional beanspruchte Bauteile auf Basis des Örtlichen Konzepts

Die rechnerische Lebensdauerabschätzung ist eine Kernaufgabe von Ingenieuren. Besonders für KMU stellt der rechnerische Festigkeitsnachweis im Vergleich zum experimentellen häufig die einzig ökonomisch sinnvolle Alternative dar. Für den Fall einachsiger bzw. mehrachsig proportionaler Beanspruchung existieren hierfür anerkannte Standards. Anders stellt sich dies für mehrachsig nichtproportional beanspruchte Bauteile dar. Die folgenden dabei auftretenden Fragen sollen beantwortet werden sollen:

• Mit welchem Vorgehen lässt sich die Lebensdauer mehrachsig beanspruchter Bauteile für einen möglichst breiten Anwendungsbereich abschätzen?

• Wie gut ist die Treffsicherheit eines solchen Konzepts und wie ist das Sicherheitskonzept zu gestalten?

• Wie lassen sich mehrachsig nichtproportionale Beanspruchungsfälle, für die ein komplexer Nachweis notwendig ist, von einachsig dominierten Beanspruchungen abgrenzen, die sich auch mit den Vorschriften für den proportionalen Fall auslegen lassen?

Zur Beantwortung dieser Fragen sollen vorhandene Ansätze vereinfacht, statistisch abgesichert und als anwendungsbereites Berechnungsskript bereitgestellt werden.

Für KMU ergeben sich die folgenden Vorteile:

• Bauteilhersteller werden in die Lage versetzt, nichtproportional beanspruchte Bauteile rechnerisch ohne experimentellen Aufwand nachzuweisen. Komplexere Bauteile können damit kosten- und ressourcenschonender ausgelegt werden. Die Wettbewerbsfähigkeit der KMU kann gesteigert werden.

• Es wird erwartet, dass vor allem Ingenieurbüros (überwiegend KMU), die als Dienstleister für große Unternehmen tätig sind, profitieren, da die Auslegung von nichtproportional beanspruchten Bauteilen für sie zugänglich wird. Sie können neue Dienstleistungen anbieten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Algorithmen entwickelt, die es ermöglichen einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis für mehrachsig nichtproportional beanspruchte Bauteile auf Basis des Örtlichen Konzepts durchzuführen. Die entwickelten Algorithmen können verwendet werden, um die FKM-Richtlinie Nichtlinear („Rechnerischer Festigkeitsnachweis unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens“) für nichtproportionale Beanspruchungen zu ertüchtigen.

Zur Validierung der Algorithmen wurden Versuche an dem Eisengusswerkstoff mit Kugelgraphit EN-GJS-500-14 und dem Baustahl S355 durchgeführt. Hierbei wurden zum einen statische und zyklische einachsige Versuche, sowie Versuche zur Erfassung mehrachsig nichtproportionalen Werkstoffverhaltens zur Werkstoffcharakterisierung durchgeführt. Zum anderen wurden Versuche an gekerbten, bauteilähnlichen Proben durchgeführt. Zusammen mit Versuchsergebnissen aus der Literatur bilden diese die Datenbank, die zur Treffsicherheitsbewertung der Algorithmen herangezogen wurde.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zwei Algorithmen zur Berücksichtigung nichtproportionaler Beanspruchungen entwickelt. Ein Algorithmus verwendet eine Vergleichsspannung, die skalierte Normalspannung, zur Erfassung nichtproportionaler Beanspruchung. Der zweite Algorithmus basiert auf einem leistungsfähigen Werkstoffmodell in Verbindung mit einer mehrachsigen Kerbdehnungssimulation. Beide Algorithmen wurden anhand der in der Datenbank zusammengestellten Ergebnisse validiert. Sie wurden derart aufbereitet, dass sie in die Methodik der FKM-Richtlinie Nichtlinear passen und sind damit zur Erweiterung der Richtlinie geeignet. Die Algorithmen wurden zusätzlich in einen Programmcode umgesetzt, für den eine aktive Weitergabe an die Industrieunternehmen geplant ist. Die erzielten Ergebnisse können damit unmittelbar von interessierten KMU im Rahmen der Bauteilauslegung und Konstruktion angewendet werden.